コナン、元太、光彦、歩美、哀は阿笠博士の車で群馬のキャンプ場にやってくる。元太と光彦、歩美、哀は焚き木を拾いに行く。その時、元太たちは男が女性の遺体を埋めている現場を目撃。元太たちは犯人に気付かれ、慌てて近くの山小屋へと逃げ込む。警察は女性の遺体を発見し、コナンは元太たちが事件に巻き込まれたと知る。

山村警部は宇佐木、米住、岩隈から事情を聞くが、誰が犯人か突き止める事ができない。この後、コナンと世良は阿笠の言葉をヒントに遺体の女性が指で何を示していたかに気付き、誰が犯人かを見破る。その頃、山小屋のドアの所にフードを被り、斧を持った謎の女性が現れる。謎の女性は斧を持ちながら元太たちに迫ってきて…。

コナンたちは行き先が謎のベルツリー急行に乗車。この列車には推理クイズが用意されているという。そして列車が東京駅を発車後、コナンは探偵役に選ばれたというカードに気付く。カードには７号車Ｂ室で起きる事件を捜査しろと書かれていた。コナンたちが７号車Ｂ室を覗き込むと、フードを被った男が銃を乗客の室橋に発砲する。この後、推理クイズはまだ発表前と判明。コナンは現実の事件と判断して７号車Ｂ室へ戻るが…。

８号車Ｂ室で絶命していた室橋。コナンは犯人がニセの指示カードで室橋を８号車に移動させた理由を考え、８号車でしかできないトリックを使ったと推理する。８号車は次郎吉の友人の資産家が家族でゆったり乗りたいとリクエストして作った車両。だが初運行の１ヶ月前、資産家のパーティーで火事が起き、一家はほとんど他界。生き残ったのは小蓑と住友と客人４人だけだった。小五郎は今回の事件は火事に絡んだ復讐劇と推理するが…

小五郎は今回の殺人事件は火事に絡んだ復讐劇と推理する。小五郎の推理通り、８号車Ａ室の能登、Ｃ室の安東、Ｄ室の小蓑、住友、Ｅ室の出波は火事の生存者だった。コナンはＥ室を訪ねた時に何かに気付いて事件の真相に近づく。その頃、６号車では火傷の男と世良が遭遇。世良は火傷の男を見て赤井と思い込むが…。この後、コナンは８号車の通路に皆を集め、小五郎に麻酔銃を発射。眠りの小五郎の推理ショーが幕を開ける…。

コナンが犯人を追い詰めている頃、６号車Ｅ室では工藤有希子とシャロン（ベルモット）が対峙していた。シャロンは哀を炙り出すため、８号車Ｂ室に発煙筒を用意。間もなく８号車Ｂ室から煙が立ち昇り、コナンたちは火災と勘違いして前の車両へと避難する。そして誰もいない８号車にシェリーの姿に戻った哀が現れる。シャロンは哀なら裏をかいて８号車へ向かうと考えていたのだ。そんな哀の前にバーボンが現れる。

園子の別荘にやってきたコナン、小五郎、蘭はひょんな事から知り合った大学生、桃園琴音の別荘へ。この後、石栗は自分の部屋に戻り、コナンも石栗の部屋で休む事に。しばらくすると石栗の部屋で大きな物音。その音で目覚めたコナンは絶命した石栗を発見する。ドアと窓は鍵がかかっていて、コナンは密室殺人と判断するが…。

横溝警部は事情聴取をして皆の行動を確認。桃園、梅島、高梨は昼食の前後に石栗の部屋に行っていた。高梨は石栗とケンカしたと告白。小五郎は３人には石栗を殺害する動機があると判断し、安室は皆に犯行の機会はあったと考える。コナンは新たに判明した現場の状況、蘭の証言から犯人のトリックを見破って…。

刑事時代の小五郎に逮捕された元銀行強盗犯、氷室は「今からアンタのせいで人が死ぬ」と電話で小五郎に予告する。その頃、氷室の手下だった沼尾が廃ビルから落下して即死。氷室は沼尾の裏切りによって逮捕され、小五郎は氷室が沼尾を恨んで殺害したと推理する。この後、小五郎は氷室の罠によって窮地に追い込まれて…。

路線バスに乗るコナン、阿笠博士、元太、歩美、光彦、哀。元太はビルの屋上で掴み合う男性２人に気付く。元太は１人が相手を屋上から突き落とす瞬間も目撃。元太がその瞬間を見たのは２時、緒方が落下してきてすぐに薫が119番通報したのは２時10分頃で、不思議な事に緒方が地面まで落ちるのに10分もかかっていた…。

工事現場の鉄パイプの下から絶命した猪俣が発見される。パイプを固定するバンドには人為的に切られた跡があり、小五郎は殺人事件と考える。高木刑事は関係者の金田、村瀬、野島から話を聞く。この後、ナイフが現場から発見され、小五郎はナイフの持ち主の金田を犯人と疑う。だが、コナンはもう一度現場の状況を調べて…。

コナン、平次らは自殺の可能性もある密室殺人事件を再調査する。そしてコナンたちは事件を解決。この事件には同じマンションに住む株ブローカーの布浦が絡んでいた。この後、コナンたちはエレベーター内で布浦が拳銃で自らのこめかみを撃ち抜く場面を目撃。高木刑事は自殺と判断するが、平次は他殺と断定する。

コナンと平次は容疑者の陸奥、余田、井筒の部屋を訪ね、誰が犯人かを見破る。そして小五郎の言葉をヒントにトリックの謎に気付くコナンと平次。この後、コナンと平次は高木に協力してもらい、布浦がエレベーター内で自らのこめかみを拳銃で撃ち抜く瞬間を再現。平次は皆の前でトリックを暴き、犯人を追いこんでいく…。

大滝警部は平蔵から頼まれ、家族が遺産相続で争う洋館へ向かう。コナンと平次は、小五郎、蘭、和葉と共に大滝を追う。洋館の一室に遺産相続で争う家族が集まり、蘭と和葉は自室で寝ている迫弥を呼びに行く。そして蘭たちは棺桶のフタを開けて絶叫。中には胸に杭が突き刺さり、血まみれの迫弥が横たわっていた。

依然として迫弥の行方はわからない。その時、実那、岸治、瑠莉、条平の携帯電話に迫弥から「食堂に集まれ」という一斉メールが届く。コナンと平次は迫弥の部屋を調べ、床下にある隠し通路を見つけ、心霊写真のトリックも見破る。そして、コナンと平次は古賀から意外な事実を聞き、ある人物が容疑者として浮かび上がる。

コナンと平次は岸治、瑠莉、実那、条平、古賀を集め、トリックの謎解きをする。コナンたちは迫弥を犯人の１人と考え、何時間も姿を見せない守与が共犯者と推理。その時、門番から森で人が亡くなっているという連絡が入る。森で縛り付けられ、絞殺されていたのは守与だった。この後、コナンたちは犯人の目星をつけるが…。

平次は群馬県警に連絡し、新たに殺人事件が起きたと報告。電話中、コナンは自分の膝に何かが付着している事に気付く。それは森で遺体を調べた時についた泥で、なぜか泥には塩が混ざっていた。コナンと平次は電話のやりとりから理由に気付き、犯人のトリックを見破るが…。犯人は新たなターゲットに襲い掛かって…。

能面美術館館長の命が狙われていると匿名の手紙を受け、小五郎、コナン、蘭は美術館を訪ねる。手紙の通り、モヨノ、清閑寺、誠之助は事故に見せかけて館長を殺害しようと試みるが、コナンたちが阻止する。そして赤座が毒殺される事件が発生。コナンはモヨノを犯人と疑い、共犯と知らず清閑寺にその事を話してしまい…。

古井戸付近で治三郎を殺害する次の仕掛けを確認していた誠之助は鬼女の面をつけた人物に殺害される。誠之助が井戸へ転落した拍子に仕掛けの滑車が回転し、囲炉裏の間の能人形が炭火に向かって倒れる。コナン、蘭、小五郎は炎に包まれる囲炉裏の間から逃げようとするが、出入り口は塞がれていて…。

静岡にある別荘にやってきた小五郎、コナン、蘭は別荘の持ち主のミステリー作家、海堂千賀、夫の海堂悠一、弟子の志村幸子に迎えられる。翌朝、別棟に宿泊したコナンたちは皆がいる母屋へ行き、別々の部屋で絶命した幸子、悠一、千賀を発見する。３人の死因は服毒死。使われた毒は全て異なり、それを聞いたコナンは…。

コーヒーショップで遥が持っていたプラチナチケットが盗まれ、その場に居合わせた園子と蘭が疑われる。翌日、濡れ衣を晴らした蘭と園子がコナンと共に店へ行くと、そこに遥が現れる。遥はこの店の従業員を犯人と疑っていた。コナンたちはバイトを休んだ雅子のアパートを訪ね、頭から血を流して息絶えた雅子を発見する…。

２日前、熊紋食品から、くまモンのぬいぐるみと機密データが入ったUSBメモリが盗まれる事件が発生。犯人はUSBメモリを入れたぬいぐるみと１千万円を交換すると取引場所を指定してくる。取引は中止になり、その時、ひょんな事から犯人とハーフの少年、高森ジャスティンのぬいぐるみがすり替わってしまう。

USBメモリが入ったぬいぐるみごとジャスティンを連れ去った犯人は１千万円を要求。取引場所は追って連絡するという。この後、ジェシカの夫、高森直人の会社が判明。直人は熊紋食品と同じ業界の大手、ヒゴフーズの社員だった。コナンと少年探偵団、井上はジャスティンを探し、徐々に犯人を追い込んでいくが…。

野良猫の大尉が冷蔵車のコンテナに乗り込んでしまう。コナンと光彦、元太、歩美、哀は助けようとコンテナに乗り込む。宅配業者AとBはコナンたちに気付かず車を出発させてしまう。コナンはコンテナ内に男性の遺体を発見していた。犯人はAとBの可能性が高く、コナンは外部に連絡して助けを求めようと考えるが…。

野良猫の大尉は喫茶店ポアロに餌をねだりに行くため、コナンは暗号を残したレシートを首輪に挟んでおけば、梓の目に留まると考える。大尉はコンテナの扉が開いた時に道路へと逃げていく。コナンは残った配達の荷物を調べ、阿笠博士の家に届けるケーキを見つける。コナンはこのケーキにもメッセージを仕込むが…。

宝石、赤面の人魚を奪うと怪盗キッドから犯行予告が届く。博物館の展示室には大きな水槽があり、赤面の人魚は水槽の中を泳ぐ亀の背中に貼り付けられていた。予告時間になると、突然、床のカーペットがテグス（糸）で捲り上がって水槽をすっかり覆い隠す。テグスが切れてカーペットが落下。水槽から亀と宝石は消えていた。